Analyse et conception d'une micropompe pour des applications à très faible pression

Dans ce mémoire, nous présentons une nouvelle architecture d’une micropompe pneumatique à valves autoactionnées. Une modélisation par éléments finis de la micropompe est également présentée ainsi que sa fabrication et sa caractérisation. Le débit théorique minimal de la micropompe est de 9 µL/min pour une pression externe d’actionnement égale à 1500 Pa. La fréquence de déformation imposée à la membrane est de 1,25 Hz et la déformation maximale observée de cette dernière est égale à 3,66 µm. On note aussi que la modélisation par la méthode des éléments finis montre clairement une conservation de débit entre les phases d’admission et de refoulement égal à 99,99 %, cette conservation de débit a été validée aussi expérimentalement. La fabrication de la micropompe s’est faite à travers deux procédures : un moulage manuel pour les microvalves avec des chambres cylindrique et cubiques dont les dimensions externes sont de 8 mm x 12 mm x 6 mm avec des membranes de 20 µm d’épaisseur, fabriquées en Polydimethylsiloxane (PDMS). Un nouveau procédé d’impression à base de sucre, en collaboration avec le département de mécanique, a été aussi utilisé. Ce dernier se résume dans l’impression 3D d’un moule temporaire en sucre vitrifié. Les chambres d’actionnement de la micropompe sont de forme cylindrique avec un diamètre de 4 mm et une hauteur de 1 mm. La chambre de pompage est aussi cylindrique avec le même diamètre, mais avec une hauteur 0,5 mm. L’épaisseur des membranes de pompage est de 250 μm. En utilisant ce procédé, tout le système de pompage excluant les microvalves est fabriqué en un seul bloc afin d’éliminer toute fuite et minimiser l’encombrement du système. Les dimensions externes de la micropompe sont 20 mm x 20 mm x 10 mm. Les résultats de caractérisation de la micropompe consistent le débit minimal qu’on a pu générer qui est égale à 7 µL/min avec une puissance électrique consommée par le système de 114 mW. Enfin, les microvalves peuvent supporter une contre-pression jusqu’à 13 psi. Une interface graphique pour contrôler l’actionneur de la micropompe à l’aide d’un FPGA a aussi été développée.In this project, a new architecture of an air-driven micropump prototype with self-actuating microvalves is presented. A finite element model is also presented. Fabrication and characterization of the system and the electronic control of the micro-pump was also introduced. The designed micropump was able to generate a flow rate of 9 µL/min. Pumping pressure was 1500 Pa. Frequency of membrane deformation was 1.25 Hz and its maximum deformation was 3.66 µm. Finite element modeling shows that the flow rate ratio between the admission and delivery phase was 99.99 %. Fabrication of the micropump was achieved through two processes. First, a manual molding for microvalves with cylindrical and cubic chambers whose external dimensions was 8 mm x 12 mm x 6 mm and actuation membrane thickness of 20 µm. The entire system, including the membrane, was made from polydimethylsiloxane (PDMS). Second, in collaboration with the department of mechanical engineering, a new printing process based on sugar glass was also used. The latter is based on the 3D printing of a sugar mold. The mold is dissolved after the pouring and curing of PDMS. The actuating chambers of the micropump wetre cylindrical with a diameter of 4 mm and a height of 1 mm. The pumping chamber was also cylindrical with the same diameter but with a height of 0.5 mm. The thickness of the pumping membranes was 250 µm. Through this process, the entire pumping system (expect microvalves) were fabricated as a one block to eliminate leakage and reduce system dimensions. The external dimensions of the micropump was 20 mm x 20 mm x 10 mm. Experimental results of the micro-pump showed that the flow rate that can be generated is 7 µL/min. The electrical power consumption of the system was 114 mW. Finally, the microvalve can resist to a back pressure up to 13 psi. A graphical interface to control the actuation part of the micropump using an FPGA has also been developed

High-precision fluorescence photometry for real-time biomarkers detection

Les derniers évènements planétaires et plus particulièrement l'avènement sans précédent du nouveau coronavirus augmente la demande pour des appareils de test à proximité du patient. Ceux-ci fonctionnent avec une batterie et peuvent identifier rapidement des biomarqueurs cibles. Pareils systèmes permettent aux utilisateurs, disposant de connaissances limitées en la matière, de réagir rapidement, par exemple dans la détection d'un cas positif de COVID-19. La mise en œuvre de l'élaboration d'un tel instrument est un projet multidisciplinaire impliquant notamment la conception de circuits intégrés, la programmation, la conception optique et la biologie, demandant tous une maîtrise pointue des détails. De plus, l'établissement des spécifications et des exigences pour mesurer avec précision les interactions lumière-échantillon s'additionnent au besoin d'expérience dans la conception et la fabrication de tels systèmes microélectriques personnalisés et nécessitent en elles-mêmes, une connaissance approfondie de la physique et des mathématiques. Ce projet vise donc à concevoir et à mettre en œuvre un appareil sans fil pour détecter rapidement des biomarqueurs impliqués dans des maladies infectieuses telles que le COVID-19 ou des types de cancers en milieu ambulatoire. Cette détection se fait grâce à des méthodes basées sur la fluorescence. La spectrophotométrie de fluorescence permet aux médecins d'identifier la présence de matériel génétique viral ou bactérien tel que l'ADN ou l'ARN et de les caractériser. Les appareils de paillasse sont énormes et gourmand énergétiquement tandis que les spectrophotomètres à fluorescence miniatuarisés disponibles dans le commerce sont confrontés à de nombreux défis. Ces appareils miniaturisés ont été découverts en tirant parti des diodes électroluminescentes (DEL) à semi-conducteurs peu coûteuses et de la technologie des circuits intégrés. Ces avantages aident les scientifiques à réduire les erreurs possibles, la consommation d'énergie et le coût du produit final utilisé par la population. Cependant, comme leurs homologues de paillasse, ces appareils POC doivent quantifier les concentrations en micro-volume d'analytes sur une large gamme de longueurs d'onde suivant le cadre d'une économie en ressources. Le microsystème envisagé bénéficie d'une approche de haute précision pour fabriquer une puce microélectronique CMOS. Ce procédé se fait de concert avec un boîtier personnalisé imprimé en 3D pour réaliser le spectrophotomètre à la fluorescence nécessaire à la détection quantitative d'analytes en microvolume. En ce qui a trait à la conception de circuits, une nouvelle technique de mise à auto-zeroing est appliquée à l'amplificateur central, celui-ci étant linéarisé avec des techniques de recyclage et de polarisation adaptative. Cet amplificateur central est entièrement différentiel et est utilisé dans un amplificateur à verrouillage pour récupérer le signal d'intérêt éclipsé par le bruit. De plus, l'augmentation de la sensibilité de l'appareil permet des mesures quantitatives avec des concentrations en micro-volume d'analytes ayant moins d'erreurs de prédiction de concentration. Cet avantage cumulé à une faible consommation d'énergie, un faible coût, de petites dimensions et un poids léger font de notre appareil une solution POC prometteuse dans le domaine de la spectrophotométrie de fluorescence. La validation de ce projet s'est fait en concevant, fabriquant et testant un prototype discret et sans fil. Son article de référence a été publié dans IEEE LSC 2018. Quant à la caractérisation et l'interprétation du prototype d'expériences in vitro à l'aide d'une interface MATLAB personnalisée, cet article a été publié dans IEEE Sensors journal (2021). Les circuits intégrés et les photodétecteurs ont été fabriqués ont été conçus et fabriqués par Cadence en 2019. Relativement aux solutions de circuit proposées, elles ont été fabriquées avec la technologie CMOS 180 nm et publiées lors de la conférence IEEE MWSCAS 2020. Tout comme cette dernière contribution, les expériences in vitro avec le dispositif proposé incluant la puce personnalisée et le boîtier imprimé en 3D ont été réalisés et les résultats électriques et optiques ont été soumis au IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC 2022).The most recent and unprecedented experience of the novel coronavirus increases the demand for battery-operated near-patient testing devices that can rapidly identify the target biomarkers. Such systems enable end-users with limited resources to quickly get feedback on various medical tests, such as detecting positive COVID-19 cases. Implementing such a device is a multidisciplinary project dealing with multiple areas of expertise, including integrated circuit design, programming, optical design, and biology, each of which needs a firm grasp of details. Alongside the need for experience in designing and manufacturing custom microelectronic systems, establishing the specifications and requirements to precisely measure the light-sample interactions requires an in-depth knowledge of physics and mathematics. This project aims to design and implement a wireless point-of-care (POC) device to rapidly detect biomarkers involved in infectious diseases such as COVID-19 or different types of cancers in an ambulatory setting using fluorescence-based methods. Fluorescence spectrophotometry allows physicians to identify and characterize viral or bacterial genetic materials such as DNAs or RNAs. The benchtop devices that are currently available are bulky and power-hungry, whereas the commercially available miniaturized fluorescence spectrophotometers are facing many challenges. Many of these difficulties have been resolved in literature thanks to inexpensive semiconductor light-emitting diodes (LEDs) and integrated circuits technology. Such advantages aid scientists in decreasing the size, power consumption, and cost of the final product for end-users. However, like the benchtop counterparts, such POC devices must quantify micro-volume concentrations of analytes across a wide wave length range under an economy of resources. The envisioned microsystem benefits from a high-precision approach to fabricating a CMOS microelectronic chip combined with a custom 3D-printed housing. This implementation results in a fluorescence spectrophotometer for qualitative and quantitative detection of micro-volume analytes. In terms of circuit design, a novel switched-biasing ping-pong auto-zeroed technique is applied to the core amplifier, linearized with recycling and adaptive biasing techniques. The fully differential core amplifier is utilized within a lock-in amplifier to retrieve the signal of interest overshadowed by noise. Increasing the device's sensitivity allows quantitative measurements down to micro-volume concentrations of analytes with less concentration prediction error. Such an advantage, along with low-power consumption, low cost, low weight, and small dimensions, make our device a promising POC solution in the fluorescence spectrophotometry area. The approach of this project was validated by designing, fabricating, and testing a discrete and wireless prototype. Its conference paper was published in IEEE LSC 2018, and the prototype characterization and interpretation of in vitro experiments using a custom MATLAB interface were published in IEEE Sensors Journal (2021). The integrated circuits and photodetectors were designed and fabricated by the Cadence circuit design toolbox (2019). The proposed circuit solutions were fabricated with 180-nm CMOS technology and published at IEEE MWSCAS 2020 conference. As the last contribution, the in vitro experiments with the proposed device, including the custom chip and 3D-printed housing, were performed, and the electrical and optical results were submitted to the IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC 2022)